Hoy miércoles 7 de diciembre de 2005

El Centelleo Interplanetario y el Viento Solar

Pérez-Enríquez, R.1, Carillo, A.2, López CruzAbeyro, J.1, Kotsarenko, A.1, González-Esparza, J. A.2, Blanco-Cano, X.2, Kurtz, S.3, Andrade, E.2

1Centro de Geociencias, UNAM, Juriquilla, 2Instituto de Geofísica, UNAM, México, D. F., 3Centro de Radioastronomía y Astrofísica, UNAM, Morelia, Mich.

En el estudio del impacto de la actividad solar sobre el ambiente terrestre, el medio interplanetario juega un papel muy importante. El centelleo interplanetario (IPS por sus siglas en inglés) es una poderosa herramienta que puede ser utilizada para estudiar la estructura tridimensional de la heliosfera interna y monitorear la presencia de estructuras de gran escala en el medio interplanetario que se originan en el Sol, como son las eyecciones de masa coronal. En este trabajo, se describe la técnica de centelleo, para qué sirve, con qué tipo de instrumentos se lleva a cabo y qué técnicas se utilizan para analizar el ruido o centelleo. Así mismo, se presenta un análisis de la estructura tridimensional del medio interplanetario en el que se encuentra que parece haber dos regímenes en el medio interplanetario, uno que es producido por la actividad solar y otro producido por el fenómeno interno de auto-organización.

EL VIENTO SOLAR Y EL MEDIO INTERPLANETARIO

La técnica de centelleo interplanetario (IPS) permite el monitoreo remoto de concentraciones de plasma en el viento solar entre el Sol y la Tierra, lo que se conoce como la heliosfera interna. Conocemos como heliosfera aquella región que es controlada por el plasma y campo magnético del Sol. La heliosfera se piensa que se extiende a más de 100 unidades astronómicas (UA), es decir, a más de cien veces la distancia entre el Sol y la Tierra. Por lo tanto, la idea es el poder rastrear estructuras de densidad que se originan en el Sol y se propagan hacia el espacio interplanetario. La técnica da también la posibilidad de

calcular si una estructura de gran escala específica se mueve en dirección nuestro planeta, así como su tiempo aproximado de arribo al ambiente terrestre. Dado que estas estructuras llevan consigo flujos intensificados de energía y momento que generan actividad geomagnética y otros posibles efectos sobre la atmósfera y la tecnología, las mediciones de IPS son importantes para pronosticar dicha actividad.

La técnica de centelleo interplanetario se basa en el hecho de que la amplitud de señales de radio que pasan a través de la heliosfera interna es modulada por el movimiento de irregularidades del plasma del viento solar que atraviesan la línea de visión (figura 1).

Figura 1. Generación de centelleo cuando una señal electromagnética atraviesa una región de plasma como es el viento solar.

Esta modulación se conoce como centelleo interplanetario o IPS, donde la amplitud del centelleo, .S, es proporcional a la amplitud de las fluctuaciones de la concentración de plasma, aunque algunos autores como Erskine y colaboradores (1978) han sugerido que la amplitud de estas fluctuaciones es proporcional

a la concentración absoluta N. Si esto es así, entonces la medición de .S puede ser usada para calcular N. Hewish y Duffett-Smith (1987) utilizaron datos de IPS para un periodo de 14 meses cerca del máximo del ciclo de actividad solar 21, y reportaron que las 16 tormentas geomagnéticas (con un índice geomagnético Ap ¡Y 40, es decir, alto) que ocurrieron durante el periodo iban precedidas (por entre 1 y 7 días) por

observaciones de centelleo intensificado. Estos resultados sugieren una relación entre el centelleo intensificado y la actividad geomagnética. No obstante, algunos autores como Lucek, Clark y Moore (1996) han cuestionado esto porque aun cuando hay observaciones de perturbaciones de IPS que preceden a actividad geomagnética, hay dudas acerca de la significancia estadística de la correlación entre la intensificación del centelleo y la actividad geomagnética. De hecho, estos autores examinaron los mapas de IPS producidos en el Observatorio de Cambridge y encontraron un número importante de falsas alarmas. Hapgood and Lucek (2000) señalan que se necesita todavía mucho trabajo para determinar las circunstancias para las cuales se puede utilizar el centelleo como un predictor de actividad geomagnética.

Como limitaciones del IPS se han señalado las siguientes:
1. Las estructuras de densidad que no llegan a la Tierra.

En efecto, la técnica de IPS es adecuada para detectar estructuras de densidad sólo a un cierto ángulo, llamado elongación, con respecto a la dirección del Sol.

2. Orientación del campo magnético interplanetario.

Dado que el IPS detecta estructuras de densidad pero no tiene una buena correlación con la componente sur del campo magnético

interplanetario, el cual se ha mostrado que es uno de los elementos esenciales para una buena conexión entre agentes externos e internos del campo geomagnético, se espera que haya un buen número de eventos IPS que no esté asociado con la intensificación de la actividad geomagnética.

3. Centelleo ionosférico.

Esta es una señal adicional que puede confundir nuestra interpretación del IPS. En efecto, puede ser disparado por actividad geomagnética y puede por tanto ocurrir junto

con eventos reales de IPS que se supone predicen.

4. Efectos estacionales.

El IPS detecta estructuras de densidad cuando éstas se encuentran a un cierto ángulo de la línea Sol-Tierra. Sin embargo, una pequeña fracción de este ángulo sólido se alcanza desde cierto lugar, en un día particular. En otras palabras, esta fracción presenta marcadas variaciones estacionales.

5. Muestreo limitado.

Existen pocos instrumentos dedicados a la investigación de centelleo

interplanetario. A reserva de explicar los diferentes instrumentos que se utilizan para llevara a cabo las mediciones del centelleo, se pueden señalar algunas maneras en que se pueden minimizar los problemas indicados antes. En el caso de México, por ejemplo, el radiotelescopio de centelleo interplanetario (MEXART por sus siglas en inglés) operará a una frecuencia de 140 MHz, comparado con los 89 MHz del radiotelescopio de Cambridge, así que, en primera instancia, el rango de visión del MEXART será mayor, y los efectos ionosféricos serán menores. No obstante, se está considerando la instalación de un sistema de GPS (sistema de posicionamiento global) para monitorear el centelleo ionosférico, de tal manera que los datos de IPS pueden ser corregidos para una posible contaminación ionosférica. Además, la localización del instrumento más cerca del ecuador llevará a una dependencia estacional menor. Finalmente, el problema de la orientación del campo magnético interplanetario se puede eliminar con una buena modelación de la interacción del viento solar con la magnetosfera terrestre, lo cual ya se viene realizando en diferentes laboratorios en el mundo. En el caso del radiotelescopio de la India, la frecuencia mucho más alta permitirá obtener datos más cercanos al disco solar. El propósito de este trabajo es mostrar el potencial que tiene la técnica del centelleo interplanetario para rastrear aquellas perturbaciones de origen solar que puedan tener consecuencias para el medio terrestre, lo que se conoce como clima espacial. Para ello, describiremos primero los instrumentos que existen actualmente y que se están construyendo para estudiar el centelleo, los diferentes fenómenos de la actividad solar que pueden provocar un impacto sobre el clima espacial, las técnicas numéricas que se utilizan para extraer información del centelleo, y algunos modelos que se han generado para facilitar este estudio. Como elemento adicional, veremos cómo el centelleo se puede utilizar para estudiar otro tipo de fenómenos como son la turbulencia hidromagnética del viento solar y cómo esto puede ayudar a estudiar la estructura de plasma del medio interplanetario en regiones cercanas al Sol.

Como limitaciones del IPS se han señalado las siguientes:

1. Las estructuras de densidad que no llegan a la Tierra.

En efecto, la técnica de IPS es adecuada para detectar estructuras de densidad sólo a un cierto ángulo, llamado elongación, con respecto a la dirección del Sol.

2. Orientación del campo magnético interplanetario.

Dado que el IPS detecta estructuras de densidad pero no tiene una buena correlación con la componente sur del campo magnético

interplanetario, el cual se ha mostrado que es uno de los elementos esenciales para una buena conexión entre agentes externos e internos del campo geomagnético, se espera que haya un buen número de eventos IPS que no esté asociado con la intensificación de la actividad geomagnética.

3. Centelleo ionosférico.

Esta es una señal adicional que puede confundir nuestra interpretación del IPS. En efecto, puede ser disparado por actividad geomagnética y puede por tanto ocurrir junto con eventos reales de IPS que se supone predicen.

4. Efectos estacionales.

El IPS detecta estructuras de densidad cuando éstas se encuentran a un cierto ángulo de la línea Sol-Tierra. Sin embargo, una pequeña fracción de este ángulo sólido se alcanza desde cierto lugar, en un día particular. En otras palabras, esta fracción presenta marcadas variaciones estacionales.

5. Muestreo limitado.

Existen pocos instrumentos dedicados a la investigación de centelleo interplanetario. A reserva de explicar los diferentes instrumentos que se utilizan para llevara a cabo las mediciones del centelleo, se pueden señalar algunas maneras en que se pueden minimizar los problemas indicados antes. En el caso de México, por ejemplo, el radiotelescopio de centelleo interplanetario (MEXART por sus siglas en inglés) operará a una frecuencia de 140 MHz, comparado con los 89 MHz del radiotelescopio de Cambridge, así que, en primera instancia, el rango de visión del MEXART será mayor, y los efectos ionosféricos serán menores. No obstante, se está considerando la instalación de un sistema de GPS (sistema de posicionamiento global) para monitorear el centelleo ionosférico, de tal manera que los datos de IPS pueden ser corregidos para una posible contaminación ionosférica. Además, la localización del instrumento más cerca del ecuador llevará a una dependencia estacional menor. Finalmente, el problema de la orientación del campo magnético interplanetario se puede eliminar con una buena modelación de la interacción del viento solar con la magnetosfera terrestre, lo cual ya se viene realizando en diferentes laboratorios en el mundo. En el caso del radiotelescopio de la India, la frecuencia mucho más alta permitirá obtener datos más cercanos al disco solar. El propósito de este trabajo es mostrar el potencial que tiene la técnica del centelleo interplanetario para rastrear aquellas perturbaciones de origen solar que puedan tener consecuencias para el medio terrestre, lo que se conoce como clima espacial. Para ello, describiremos primero los instrumentos que existen actualmente y que se están construyendo para estudiar el centelleo, los diferentes fenómenos de la actividad solar que pueden provocar un impacto sobre el clima espacial, las técnicas numéricas que se utilizan para extraer información del centelleo, y algunos modelos que se han generado para facilitar este estudio. Como elemento adicional, veremos cómo el centelleo se puede utilizar para estudiar otro tipo de fenómenos como son la turbulencia hidromagnética del viento solar y cómo esto puede ayudar a estudiar la estructura de plasma del medio interplanetario en regiones cercanas al Sol.

MAPAS DE CENTELLEO INTERPLANETARIO

Aunque el interés principal del centelleo es el estudio del Sol, para la técnica de centello no se observa el sol directamente. Los mapas de centelleo se construyen a partir de la observación de fuentes de radio muy lejanas, a un cierto ángulo con respecto al sol. Qué tan cerca del sol en elongación se pueden detectar las fuentes depende de la frecuencia de observación del instrumento. Entre más alta la frecuencia de observación, más cerca del sol se puede observar el cielo en busca de fuentes. Las fuentes estelares pueden ser todo tipo de objetos por demás extraños, tales como cuasares, núcleos activos de galaxias,

radio galaxias, etc. No importa mucho, sino que se pueda detectar su señal. A diferencia de las observaciones astronómicas de un objeto en las que la señal se corrige para "ver" más nítidamente un objeto, el propósito del centelleo es eliminar la señal y estudiar solamente el ruido asociado con la señal. Este ruido, como ya hemos mencionado, es producido en el medio interplanetario, por lo que se puede utilizar para estudiar el medio.

Una vez que se tienen "detectadas" un número importante de fuentes, se observan por un cierto tiempo con el fin de determinar su centelleo "normal", es decir, aquel ruido o centelleo intrínseco de determinada fuente, y se procede a calcular el índice de centelleo diario g. El índice g es una medida del nivel de centelleo de todas las fuentes en una parte del cielo que se encuentran en un plano perpendicular a la línea Sol-Tierra. No obstante que la señal representa una integración a lo largo de la línea de visión entre el observador y la fuente, la mayor contribución al centelleo proviene del punto en donde la línea de visión

pasa más cerca del Sol, dado que allí es donde la densidad es mayor. Una vez obtenidos los valores de éstos se asignan, según la localización de la fuente en el día en cuestión, a un cierto punto (o píxel) en un mapa que representa el plano del cielo. En la figura 3 se ilustra uno de estos mapas, obtenidos con el radiotelescopio de Cambridge, Inglaterra.

INSTRUMENTOS PARA LA DETECCIÓN DEL IPS

Los puntos principales de la descripción de los instrumentos de centelleo interplanetario que operan en el planeta los tomamos de Carrillo (1998).

Es necesario empezar por la descripción del primer instrumento de este tipo que es el Observatorio de Cambridge, Inglaterra. Por desgracia, este instrumento ya no se encuentra en operación y de él sólo contamos con datos de algunos años. No obstante, como veremos más adelante, estos datos se siguen utilizando hoy en día. El arreglo de gran área de Cambridge tenía como características principales un área física de 21150 m2 y su frecuencia central de operación era de 81.5 MHz, con un ancho de banda de 1 MHz. El arreglo de antenas operaba como un interferómetro, es decir que estaba dividido eléctricamente

en dos partes iguales sobre un eje E-O. La señal en cada receptor se procesaba por medio de un centellador de potencia total para filtrar la señal y eliminar las componentes de baja frecuencia propias del paso de la fuente de radio a través de la antena. Después se sumaban las señales y se suavizaba el resultado con un filtro pasa-bajas. En los años ochentas se utilizaron para el estudio de centelleo las señales provenientes de más de 2500 fuentes de radio generando mapas para cada día. Cabe mencionar que del estudio original de 2500 fuentes de radio sólo 900 presentaron un centelleo suficientemente intenso como para ser considerado en la generación de los mapas de centelleo y en el cálculo de la velocidad del viento.

En el siguiente número continuaresmo con este tema